Способ получения синтез-газа и реактор для получения синтез-газа Российский патент 2022 года по МПК C01B3/34 B01J8/02 B01J19/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области химических технологий, а именно получения синтез-газа методом паровой конверсии метана, и может быть использовано, в частности, в технологических процессах производства водорода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Получение синтез-газа - газовой смеси монооксида углерода СО и водорода Н2 - является одной из начальных стадий в цепочке химических процессов переработки природного газа метана СН4 в различные продукты, в частности в технологиях получения водорода. Одним из способов получения синтез-газа является так называемая паровая конверсия метана - эндотермическая реакция при нагреве смеси метана СН4 и водяного пара H2O до температуры порядка 820-850°С, описываемая следующей формулой:

CH4 + H2O + 206 кДж/моль → CO+3H2 (1)

Известны различные способы получения синтез-газа, характеризующиеся различными техническими средствами и приемами нагрева смеси метана и водяного пара.

Так, в международной заявке WO 2017/211884 А1 (опубл. 14.12.2017) описан способ получения синтез-газа, при осуществлении которого используется реактор в виде реакционной трубы, размещенной внутри оболочки с горелками. Внутри реакционной трубы размещен каталитический материал, а нагрев пропускаемой по трубе газовой смеси метана и водяного пара осуществляют с помощью горелок, нагревающих трубу с внешней стороны. Аналогичным образом нагревается смесь метана и водяного пара при осуществлении способа получения синтез-газа, описанного в WO 2016/135407 A1 (опубл. 01.09.2016).

В международной заявке WO 2021/110754 A1 (опубл. 10.06.2021) описан способ получения синтез-газа из смеси метана и водяного пара, при котором используется реактор, заполненный структурированным катализатором, имеющим макроскопическую структуру - матрицу из электропроводящего материала, на которую нанесено керамическое покрытие с каталитически активным материалом. Нагрев керамического покрытия происходит за счет омического нагревания матрицы из электропроводящего материала при пропускании через нее электрического тока от внешнего источника.

Аналогичный прием нагрева катализатора применен в способе получения синтез-газа, описанном в заявке US 2018/0148330 A1 (опубл. 31.05.2018). Смесь метана и водяного пара, подаваемая в реактор, омывает нагреваемую электрическим током металлическую пластину с нанесенным на ее поверхность керамическим слоем оксида алюминия, пропитанным никелем или рутением в качестве катализатора.

В заявке US 2015/0166338 A1 (опубл. 18.06.2015) описан реактор для получения синтез-газа путем паровой конверсии метана, выполненный в виде трубы, заполненной пористым материалом с катализатором, по которой пропускают смесь газов реагентов, и окружающего трубу кожуха, образующего кольцеобразное пространство, в которое подается горячий теплоноситель, например, воздух, азот. Теплоноситель подается и отводится через соответствующие патрубки кожуха. Горячий теплоноситель нагревает трубу и пористый материал с катализатором, через который протекает смесь метана и водяного пара, из которой под действием высокой температуры получается синтез-газ.

Аналогичный способ получения синтез-газа описан в заявке US 2006/0013765 A1 (опубл. 19.01.2006), с той лишь разницей, что в качестве теплоносителя использован жидкий метал, например жидкий натрий, нагреваемый за счет солнечной энергии.

Известны способы паровой конверсии метана, когда для создания температурных условий, обеспечивающих химическую реакцию (1), используют микроволновую энергию, иначе - энергию СВЧ излучения.

Так, в патенте RU 2640543 C1 (опубл. 09.01.2018) для получения синтез-газа используют реактор в виде камеры, имеющей патрубки подвода и откачки газовой смеси метана и водяного пара, а также кварцевое окно для ввода во внутреннее пространство камеры СВЧ излучения. С внешней стороны камера охвачена ленточным электрическим нагревателем. После предварительного прогрева камеры указанным нагревателем до температуры примерно 120-130ºС в камеру вводят СВЧ излучение, которое вызывает внутри камеры формирование плазмы, под действием которой происходит плазмохимическое некаталитическое превращение смеси метана и водяного пара в синтез-газ по реакции (1). Однако известный способ предполагает порционный режим получения синтез-газа, что существенно ограничивает его применение.

В патенте RU 2513622 C2 (опубл. 20.04.2014) описан способ получения синтез-газа, при котором в струе непрерывно подаваемой в реактор газовой смеси метана и водяного пара формируется плазменный факел, возбуждаемый и поддерживаемый на счет энергии СВЧ излучения.

Известны способы получения синтез-газа, в которых энергия СВЧ излучения используется непосредственно для нагревания слоя каталитического материала, заполняющего реактор, через который прокачивается газовая смесь метана и водяного пара. Так, в международной заявке WO 2019/041041 A1 (опубл. 07.03.2019) описан реактор, заполненный частицами диэлектрического каталитического материала, полученными путем нанесения на частицы кварцевого песка диэлектрического материала - графитового покрытия с развитой поверхностью, на которое затем нанесен катализатор. Заполняющие реактор частицы образуют псевдоожиженный слой, через который прокачивается газовая смесь метана и водяного пара. При этом на слой частиц воздействуют СВЧ излучением, которое поглощается диэлектрическим материалом частиц, в результате чего в реакторе создаются температурные условия для протекания реакции (1) и получения синтез-газа на выходе реактора.

В то время как в других способах нагрев зоны конверсии метана обеспечивается внешним источником тепла, механизм микроволнового нагрева обусловлен взаимодействием СВЧ излучения с диэлектрическим материалом, находящимся непосредственно в зоне химической реакции. Это исключает непроизводительный нагрев других элементов конструкции реактора, благодаря чему снижаются затраты на получение синтез-газа. Преимущества микроволнового нагрева проявляются также в том, что он обеспечивает более равномерное, а при необходимости достаточно легко регулируемое распределение температуры внутри реактора. Кроме того, в силу диэлектрических свойств газовой смеси она нагревается СВЧ излучением существенно меньше, чем поверхность слоя каталитического материала, что уменьшает нежелательные газофазные реакции.

Наиболее близким к настоящему изобретению является решение по заявке CN 108380197 A (опубл. 10.08.2018), в которой описан нагреваемый за счет СВЧ энергии каталитический материал, предназначенный для использования в реакторе для получения синтез-газа из смеси метана с углекислым газом. Материал имеет структуру матрицы, из спеченных частиц, имеющих ядро на основе оксида алюминия Al2O3, покрытое методом молекулярного ламинирования последовательно углеродным слоем и слоем оксида переходного металла, поглощающего микроволновое излучение. Каталитические свойства материалу обеспечиваются металлическим никелем Ni, нанесенным на матрицу методом пропитки из раствора нитрата никеля.

Однако, при всех достоинствах метода микроволнового нагрева, известное выполнение каталитического материала представляет собой сложный многоэтапный процесс, что удорожает его реализацию, в том числе за счет применения катализаторов. Кроме того, получение материала на финальной стадии путем спекания частиц приводит к макроструктурным неравномерностям в объеме получаемого материала, что негативно сказывается на равномерности распределения температуры и плотности протекающего потока газовой смеси в реакционной зоне. Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа изобретений, является устранение указанных недостатков.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения синтез-газа в соответствии с настоящим изобретением включает пропускание газовой смеси метана с водяным паром через теплообменный элемент, выполненный в виде тела из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способного пропускать газовую смесь и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, с одновременным воздействием СВЧ излучением на упомянутый теплообменный элемент.

При осуществлении способа материал, из которого выполнено тело теплообменного элемента, под воздействием СВЧ излучения нагревается, что обеспечивает требуемые температурные условия для химической реакции (1) и образования синтез-газа из газовой смеси метана с водяным паром, проходящей через пористую структуру теплообменного элемента.

Материал, используемый для изготовления тела теплообменного элемента, прост в изготовлении, он не требует многостадийной технологии изготовления сложных по структуре и составу частиц, а также последующего их спекания, как это предусматривают известные решения. Такой материал может быть изготовлен в едином технологическом процессе, что обеспечивает высокую однородность в объеме его пористой структуры и соответственно - равномерное распределение температуры и плотности протекающего потока газовой смеси при использовании в качестве материала теплообменного элемента. Также упрощается изготовление конструкции теплообменного элемента, который может быть изготовлен любой формы, например, путем вырезания из массива материала, как цельного изделия, так и его частей, собираемых вместе в единый теплообменный элемент. Кроме того, использование такой монолитной структуры допускает нагревание теплообменного элемента до более высоких температур, что позволяет обходиться без катализаторов, обычно используемых в теплообменных элементах подобного назначения.

В качестве материала тела теплообменного элемента может быть использована, например, пористая керамика (пенокерамика) на основе карбида кремния. Присутствие карбида кремния обеспечивает хорошую теплопроводность материала, за счет чего повышается равномерность распределения температуры в объеме теплообменного элемента и соответственно равномерность протекания химической реакции конверсии метана. Возможно также использование других пористых термостойких керамических материалов, например пенокерамики на основе диоксида циркония.

Тело теплообменного элемента может быть выполнено как в виде цельного куска материала, так и в виде набора пластин, расположенных последовательно в направлении пропускания через теплообменный элемент газовой смеси. В последнем случае создается дополнительная нерегулярность общей структуры теплообменного элемента, что ведет к лучшему перемешиванию протекающей газовой смеси и оптимизации стехиометрии газовой смеси метана и водяного пара, вступающей в химическую реакцию.

В частном случае пластины теплообменного элемента могут иметь разную пористость.

Чтобы исключить перегрев центральной части теплообменного элемента, вызванный как характером распределения подводимого снаружи СВЧ излучения, так и затрудненным теплоотводом от этой области, в центральной части тела теплообменного элемента в направлении прохождения через него газовой смеси может быть расположена вставка из отражающего СВЧ излучение материала или из прозрачного для СВЧ излучения материала. Благодаря такому решению центральная часть тела теплообменного элемента, в которой расположена вставка, по существу не нагревается под воздействием СВЧ излучения. В результате исключается перегрев центральной части тела теплообменного элемента, из-за которого материал может оплавиться или разрушиться в результате температурного расширения, что ведет к выходу из строя теплообменного элемента и всего реактора. В противном случае могут потребоваться специальные жаропрочные высокопористые материалы с низким коэффициентом температурного расширения, что дорого, а в ряде случаем не всегда возможно.

В частном случае вставка может быть расположена так, что простирается вдоль всего теплообменного элемента. При таком выполнении концы вставки находятся по существу заподлицо с торцами теплообменного элемента или чуть выступают из него.

В другом частном случае вставка может быть расположена так, что простирается вдоль части теплообменного элемента, что увеличивает его полезную теплоемкость. При этом вставка может находиться со стороны нагреваемого потока газовой смеси, с противоположной стороны теплообменного элемента или в его срединной части. Выбор варианта расположения вставки и ее линейных, прежде всего продольных размеров зависит от конкретных условий использования теплообменного элемента, в частности распределения СВЧ поля вдоль теплообменного элемента.

В другом частном случае теплообменный элемент может содержать несколько таких вставок, расположенных в центральной части тела по существу соосно друг другу.

С аналогичной целью в центральной части тела теплообменного элемента в направлении прохождения через него газовой смеси может быть выполнена продольная выемка. Такая выемка представляет собой область, не поглощающую СВЧ излучение, соответственно, эта часть теплообменного элемента не нагревается под воздействием СВЧ излучения. В результате исключается перегрев центральной части тела теплообменного элемента, а вместе с этим устраняются характерные для такого перегрева указанные недостатки.

В частном случае выемка может быть выполнена вдоль всего теплообменного элемента. В другом частном случае выемка может быть выполнена вдоль части теплообменного элемента, что увеличивает его полезную теплоемкость. При этом выемка может быть выполнена со стороны нагреваемого потока газовой смеси, с противоположной стороны теплообменного элемента или в его срединной части. Выбор варианта расположения выемки и ее линейных, прежде всего продольных размеров зависит от конкретных условий использования теплообменного элемента, в частности распределения СВЧ поля вдоль теплообменного элемента. В другом частном случае в центральной части теплообменного элемента может быть выполнено несколько таких выемок по существу соосно друг другу.

Как было отмечено, использование в качестве материала теплообменного элемента высокопористого керамического материала, в частности керамики на основе карбида кремния позволяет создать условия, при которых реакция (1) будет протекать без катализатора. Тем не менее, для повышения производительности способа, снижения рабочей температуры протекания реакции и снижения энергетических затрат на СВЧ излучение дополнительно материал теплообменного элемента может включать катализатор, например Ni52,9 ZrO29,5.

При осуществлении настоящего способа используемая для получения синтез-газа смесь метана и водяного пара может быть предварительно нагрета, например, за счет тепловой энергии получаемого синтез-газа. Рекуперацию тепла можно осуществить, например, с помощью пластинчатых рекуператоров. Это позволяет уменьшить мощность используемых источников СВЧ излучения, снизив в целом затраты на производство синтез-газа.

Также с аналогичной целью предварительно, до приготовления газовой смеси входящие в ее состав метан и водяной пар могут быть нагреты раздельно. В частности, нагрев метана или водяного пара может быть осуществлен путем пропускания через теплообменный элемент, выполненный в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый метан или водяной пар и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, с одновременным воздействием СВЧ излучением на упомянутый теплообменный элемент.

Другим заявляемым изобретением группы является реактор для получения синтез-газа, выполненный в виде трубопровода, имеющего по меньшей мере одно входное отверстие для подвода газовой смеси метана с водяным паром или по меньшей мере два отверстия для раздельного подвода метана и водяного пара, а также по меньшей мере одно выходное отверстие для отвода синтез-газа, при этом внутри трубопровода между входными отверстиями для подвода газовой смеси метана с водяным паром или метана и водяного пара и выходным отверстием для отвода синтез-газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способного пропускать газовую смесь метана с водяным паром и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг. 1 в продольном сечении показан пример выполнения реактора для получения синтез-газа в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 2 показано поперечное сечение А-А реактора, представленного на Фиг. 1 и имеющего квадратную форму поперечного сечения.

На Фиг. 3 показано поперечное сечение А-А реактора, представленного на Фиг. 1 и имеющего круглую форму поперечного сечения.

На Фиг. 4 показан в продольном сечении пример выполнения тела теплообменного элемента реактора в виде набора пластин с одинаковой пористостью.

На Фиг. 5 показан в продольном сечении пример выполнения тела теплообменного элемента реактора в виде набора чередующихся пластин с разной пористостью.

На Фиг. 6 - 15 показаны в продольном сечении другие примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением, в частности:

на Фиг. 6 - со вставкой из отражающего СВЧ излучение материала или прозрачного для СВЧ излучения материала, выполненной сплошной и простирающейся вдоль всего тела теплообменного элемента;

на Фиг. 7 - со вставкой из отражающего СВЧ излучение материала или прозрачного для СВЧ излучения материала, выполненной полой и простирающейся вдоль всего тела теплообменного элемента;

на Фиг. 8 - со вставкой, выполненной сплошной и простирающейся вдоль части тела теплообменного элемента;

на Фиг. 9 - с двумя вставкам, расположенными с противоположных сторон тела теплообменного элемента;

на Фиг. 10 - то же, что и на Фиг. 9, но для случая, когда обе вставки расположены в центральном сквозном канале, выполненном в теле теплообменного элемента;

на Фиг. 11 - в виде набора пластин с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента, где пластины со вставкой в отверстии чередуются с пластинами без вставки;

на Фиг. 12 - с продольной выемкой, выполненной в теле теплообменного элемента с одной стороны;

на Фиг. 13 - с двумя продольными выемками, выполненными в теле теплообменного элемента с противоположных сторон;

на Фиг. 14 - составленного из трех пластин с выемкой, выполненной в срединной пластине;

на Фиг. 15 - в виде набора пластин, образующих в сборе тело теплообменного элемента, где пластины с выемкой чередуются с пластинами без выемки.

На Фиг. 16 проиллюстрирован способ получения синтез-газа, включающий предварительный раздельный нагрев метана и водяного пара в соответствии с настоящим изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 показан пример выполнения реактора для получения синтез-газа в соответствии с настоящим изобретением. Реактор 10 выполнен в форме трубопровода 11, закрытого с торцов стенками 12 и 13. С внутренней стороны трубопровод 11, включая стенки 12 и 13, покрыт теплоизоляционным слоем 14 из непоглощающего СВЧ энергию материала. Со стороны торцевой стенки 12 трубопровод 11 имеет расположенные по существу напротив друг друга патрубки 15 и 16 для подачи во внутреннее пространство трубопровода 11 метана (СН4) и водяного пара (Н2О) соответственно, что отмечено стрелками 17 и 18. Альтернативно реактор 10 может иметь несколько патрубков для раздельной подачи метана и водяного пара, либо один или несколько патрубков для подачи газовой смеси метана и водяного пара (на Фиг. 1 не показано). Со стороны торцевой стенки 13, в данном примере непосредственно в ней, реактор 10 имеет патрубок 19 для отвода синтез-газа (CO+3H2), что отмечено стрелкой 20, получаемого в результате паровой конверсии метана, происходящей внутри реактора 10. Специалисту понятно, что указанные патрубки для раздельного подвода метана и водяного пара или для подвода газовой смеси метана с водяным паром, а также для отвода синтез-газа могут быть выполнены как в торцевых стенках 12 и 13, так и боковой стенке трубопровода 11.

Внутри трубопровода 11 между входными отверстиями патрубков 15 и 16 для подвода метана и водяного пара и выходным отверстием патрубка 19 для отвода синтез-газа расположен перекрывающий проход трубопровода 11 теплообменный элемент 21, тело 22 которого выполнено из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способного пропускать газовую смесь метана с водяным паром и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. В центральной части тела 22 теплообменного элемента 21 в осевом направлении опционально расположена вставка 23, выполненная из отражающего СВЧ излучение материала или из прозрачного для СВЧ излучения материала. Такая вставка 23 может быть полезна для предотвращения перегрева центральной части тела 22. Примеры выполнения такой теплозащиты центральной части тела 22 теплообменного элемента 21 описаны далее со ссылками на Фиг. 6 - 15.

Теплообменный элемент 21 расположен внутри трубопровода 11 так, что со стороны патрубков 15, 16 между торцевой стенкой 12 и теплообменным элементом 21 образована камера 24, с которой формируется смесь поступающих через патрубки 15 и 16 метана и водяного пара соответственно, а со стороны патрубка 19 между торцевой стенкой 13 и теплообменным элементом 21 образована камера 25, в которой собирается синтез-газ перед его отводом через патрубок 19 из реактора 10.

С наружной стороны трубопровода 11 размещены источники СВЧ излучения 30, каждый из которых включает магнетрон 31 с антенной 32 и волновод 33, открытый излучающий торец 34 которого проходит сквозь боковую стенку трубопровода 11 и обращен в сторону теплообменного элемента 21. Источники СВЧ излучения 30 распределены вдоль всего теплообменного элемента 21 и по периметру трубопровода 11 так, чтобы излучение охватывало теплообменный элемент 21 по всей длине и со всех сторон. Фиг. 1 иллюстрирует в общем виде примерное расположение источников СВЧ излучения 30, однако специалисту в этой области техники понятно, как может быть выполнена система, генерирующая СВЧ поле в объеме теплообменного элемента 21, чтобы обеспечивались, в том числе с учетом производительности реактора 10, требуемые условия поглощения СВЧ энергии с выделением тепла высокопористым материалом тела 22 теплообменного элемента 21, необходимые для химический реакции (1) протекающей через него газовой смеси метана и водяного пара. Дополнительно, для концентрации микроволнового излучения в объеме теплообменного элемента 21 и уменьшения утечек в камеры 24 и 25, с торцов теплообменного элемента 21 могут быть установлены так называемые запредельные решетки 35, 36, отражающие излучение внутрь теплообменного элемента 21, но свободно пропускающие газовую смесь. Например, это могут быть пластины из жаропрочного металла толщиной порядка 0,1-0,05 λ со сквозными отверстиями в поперечном сечении не более 0,02-0,04 λ, где λ - длина волны микроволнового излучения. Специалисту в данной области техники известно, как можно выполнить такие решетки.

Форма поперечного сечения, как трубопровода 11, тела 22 теплообменного элемента 21, так и вставки 23, может быть, например, квадратной, как показано на Фиг. 2, круглой, как показано Фиг. 3, что, прежде всего, зависит от характеристики используемого СВЧ излучения. При этом, например, не обязательно, чтобы форма поперечного сечения тела 22 совпадала с формой поперечного сечения трубопровода 11, однако в этом случае свободное пространство между трубопроводом 11 и телом 22 теплообменного элемента 21 должно быть заполнено теплоизоляционным слоем 14 так, чтобы между трубопроводом 11 и телом 22 не было зазора для прохождения нагреваемой газовой смеси.

Собственно тело 22 теплообменного элемента 21 может быть выполнено как одно целое, как показано на Фиг. 1, или составным, например, в виде набора пластин, расположенных последовательно одна за другой, как показано на Фиг. 4 и 5. При этом пластины могут быть выполнены как с одинаковой пористостью (пластины 41 на Фиг. 4), так и с разной пористостью (пластины 42, 43 на Фиг. 5) и характеристикой поглощения СВЧ излучения. Наборную конструкцию целесообразно применять, например, в случае использования катализатора, которым можно импрегнировать отдельные пластины, легко заменяемые при отравлении катализатора. Кроме того, при использовании слоев с разной пористостью обеспечивается дополнительное перемешивание протекающей газовой смеси и более равномерный нагрев по сечению.

В качестве материала для изготовления тела 22 теплообменного элемента 21, обладающего указанными свойствами газопроницаемости и поглощения СВЧ излучения с выделением тепла, может быть использована, например, пористая керамика на основе карбида кремния. В частности, при практическом осуществлении изобретения был использован материал VUKOPOR® производства компании LANIK s.r.o. (ООО «ЛАНИК», ул. Хрудихромска 2376/17, 680 01 Босковице, Чешская Республика, https://www.lanik.eu/ru/). Могут быть использованы и другие материалы с требуемыми свойствами газопроницаемости, поглощения СВЧ излучения с выделением тепла и термостойкости, например, пористая керамика на основе диоксида циркония.

Указанное свойство материала вставки 23 не поглощать СВЧ излучение может быть обеспечено либо за счет отражающих СВЧ излучение свойств материала вставки 23, либо за счет использования для изготовления вставки 23 прозрачного для СВЧ излучения материала. В первом случае в качестве материала вставки 23 может быть использован, тугоплавкий металл или сплавы металлов, например, нержавеющая сталь, титан, во втором случае в качестве материала вставки 23 может быть использован, например, корунд, кварц, цирконий.

Теплоизоляционный слой 14 может быть выполнен, например, в виде жаропрочного покрытия из оксида алюминия Al2O3, полученного из суспензии путем нанесения методом распыления, либо из керамоволокнистых теплоизоляционных материалов или других высокотемпературных изоляционных материалов.

Во всех случаях для изготовления тела 22 теплообменного элемента 21 и вставки 23, а также внутреннего теплоизолирующего слоя 14 должны использоваться термостойкие материалы, выдерживающие температуру, до которой они нагреваются во время работы реактора 10, - примерно до 1250°С.

Подаваемые в реактор 10 под давлением метан (через патрубок 15) и водяной пар (через патрубок 16) смешиваются в камере 24, после чего газовая смесь метана и водяного пара проходит сквозь пористую структуру тела 22 теплообменного элемента 21. По мере прохождения тела 22 газовая смесь нагревается за счет тепла, выделяемого на пористой поверхности тела 22 при поглощении им СВЧ излучения от источников 30, в результате чего происходит конверсия метана с образованием поступающего в камеру 25 синтез-газа, который отводится из реактора 10 через патрубок 19.

Благодаря вставке 23, не поглощающей или отражающей СВЧ излучение, центральная часть тела 22, занятая вставкой 23, не нагревается под воздействие СВЧ излучения. В результате исключается перегрев центральной части тела 22 теплообменного элемента 21, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательных систем недостатки, такие как оплавление и разрушение теплообменного элемента, потребность в применении дорогих особо жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, ограниченная производительность системы.

Фиг. 6 - 15 иллюстрируют различные примеры выполнения теплообменного элемента 21 в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменный элемент 21 показан в продольном сечении.

Так, на Фиг. 6 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 со вставкой 23, простирающейся вдоль всего тела 22 теплообменного элемента 21. При этом в отличие от примера, представленного на Фиг. 1, тело 22 теплообменного элемента 21 выполнено в виде набора пластин 45.

На Фиг. 7 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 со вставкой 23, простирающейся вдоль всего тела 22 теплообменного элемента 21. Однако, в отличие от примера, представленного на Фиг. 6, в данном случае вставка 23 выполнена полой, образованной непрерывной стенкой 55. Такое решение позволяет уменьшить общую массу теплообменного элемента 21 и его стоимость.

На Фиг. 8 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 с одной вставкой 23, расположенной только вдоль части тела 22 теплообменного элемента 21. Такое выполнение позволяет, сохраняя достигаемый результат, увеличить теплоемкость тела 22 и, соответственно, производительность теплообменного элемента 21. Такая вставка 23 может оказаться полезной для предотвращения перегрева нижней по течению части тела 22 - там, где нагреваемая газовая смесь имеет наибольшую температуру, вследствие чего теплоотдача нагретого тела 22 теплообменного элемента 21 минимальна.

На Фиг. 9 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 с двумя вставкам 56, 57, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента 21. Такое решение позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 21, выполнив соответствующие углубления для вставок 56, 57 с торцов тела 22. Альтернативный вариант показан на Фиг. 10, когда обе вставки 56, 57 расположены в сквозном канале 58, выполненном в теле 22 теплообменного элемента 21.

На Фиг. 11 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 в виде набора чередующихся пластин 60, 61 с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента 21, причем пластины 60 со вставкой 62 в отверстии 63 чередуются с пластинами 61 без вставки, в результате чего в теле теплообменного элемента 21 оказываются несколько вставок 62 (три в данном примере), разделенных воздушным промежутком, образованным отверстием 64 в пластине 61. Такая конструкция теплообменного элемента 21, в котором чередуются пластины со вставками и пластины без вставок, упрощает процесс изготовления, особенно крупногабаритных теплообменных элементов.

На Фиг. 12 показан пример выполнения теплообменного элемента 21, в теле 22 которого выполнена выемка 65, функционально выполняющая такую же роль, как и вставка 23 на Фиг. 8, - в этом месте не происходит поглощение СВЧ энергии, что предотвращает перегрев центральной зоны тела 22 теплообменного элемента 21.

На Фиг. 13 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 с двумя выемками 66, 67, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента 21. Такое решение позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 21, выполнив соответствующие выемки 66, 67 с торцов тела 22.

На Фиг. 14 показан пример выполнения теплообменного элемента 21, составленного из двух торцевых пластин 70 и срединной пластины 71, при этом торцевые пластины 70 не имеют отверстий, а в срединной пластине 71 в центральной ее части выполнена продольная выемка 72. Такое решение также позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 21.

На Фиг. 15 показан пример выполнения теплообменного элемента 21 в виде набора чередующихся пластин 73, 74, образующих в сборе тело теплообменного элемента 21. При этом пластины 73 имеют сквозные отверстия 75, а пластины 74 выполнены цельными (без отверстия), в результате чего в теле теплообменного элемента 21 оказываются несколько выемок 75 (три в данном примере), разделенных пластинами 74. Такая конструкция теплообменного элемента, в котором чередуются пластины с выемками и пластины без выемок, упрощает процесс изготовления, особенно крупногабаритных теплообменных элементов.

Для специалиста понятно, что возможны и другие варианты конструктивного решения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением, включающего тело из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, в котором для предотвращения перегрева центральной части тела теплообменного элемента в его центральной части продольно относительно потока газа расположена по меньшей мере одна вставка из материала, не поглощающего или отражающего СВЧ излучение, либо выполнена по меньшей мере одна выемка.

Как было отмечено, при осуществлении настоящего способа в реактор для получения синтез-газа может быть подана предварительно подготовленная газовая смесь метана и водяного пара. В этом случае достаточно одного входного патрубка, по которому будет подаваться газовая смесь. Дополнительно, используемая для получения синтез-газа смесь метана и водяного пара может быть предварительно нагрета, например, за счет рекуперации тепловой энергии высокотемпературного синтез-газа получаемого на выходе реактора. Для этого могут быть использованы, например, пластинчатые рекуператоры тепла, а также другие средства, известные специалистам в этой области.

При использовании реактора, как он описан выше со ссылкой на Фиг. 1, подаваемые в реактор метан и водяной пар могут быть нагреты раздельно. В частности, нагрев метана или водяного пара может быть осуществлен с использованием устройства нагрева, аналогичного описанному реактору 10. Такой вариант проиллюстрирован Фиг. 16, где представлена в упрощенном виде технологическая цепочка, включающая реактор 110 для получения синтез-газа, нагреватель 210 для нагрева метана и нагреватель 310 для нагрева водяного пара. Реактор 110 по существу выполнен таким, как он описан выше со ссылкой на Фиг. 1, и включает: трубопровод 111; размещенный внутри трубопровода 111 теплообменный элемент в виде тела 122 из высокопористого материала, способного пропускать газовую смесь метана и водяного пара и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла; входные патрубки 115 и 116 для подачи метана и водяного пара соответственно; выходной патрубок 119 для отвода синтез-газа; и систему источников СВЧ излучения 130. Реактор 110 работает, как было описано выше.

Нагреватель 210 для предварительного нагрева метана включает: трубопровод 211; размещенный внутри трубопровода 211 теплообменный элемент в виде тела 222 из пористого материала, способного пропускать метан и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла; входной патрубок 215 для подачи метана; выходной патрубок 219 для отвода нагретого метана; и систему источников СВЧ излучения 230. Реактор 210 работает аналогично реактору 110, обеспечивая нагрев метана, проходящего через тело 222 теплообменного элемента.

Аналогично выполнен нагреватель 310, который включает: трубопровод 311; размещенный внутри трубопровода 311 теплообменный элемент в виде тела 322 из пористого материала, способного пропускать водяной пар и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла; входной патрубок 316 для подачи водяного пара; выходной патрубок 319 для отвода нагретого водяного пара; и систему источников СВЧ излучения 330. Реактор 310 работает аналогично реактору 110, обеспечивая нагрев водяного пара, проходящего через тело 322 теплообменного элемента.

Предварительно нагретые нагревателями 210 и 310 метан и водяной пар подаются через соответствующие входные патрубки 115 и 116 в реактор 110 для получения синтез-газа, работающий так, как это было описано выше со ссылкой на Фиг. 1.

Настоящее изобретение может быть также использовано для получения синтез-газа не только из смеси метана и водяного пара, но и другого углеводородного сырья, в том числе в сочетании с углекислым газом.

Изобретение относится к области химических технологий. Изобретение относится к способу получения синтез-газа методом паровой конверсии метана. Газовую смесь метана с водяным паром пропускают через теплообменный элемент (21), выполненный в виде тела (22) из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способного пропускать газовую смесь и поглощать микроволновое излучение с выделением тепла, с одновременным воздействием СВЧ излучения на упомянутый теплообменный материал. Изобретение также касается реактора для получения синтез-газа. Технический результат - упрощение изготовления конструкции теплообменного элемента, повышение равномерности распределения температуры в объеме теплообменного элемента и соответственно равномерность протекания химической реакции конверсии метана. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ получения синтез-газа, включающий пропускание газовой смеси метана с водяным паром через теплообменный элемент, выполненный в виде тела из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способного пропускать газовую смесь и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, с одновременным воздействием СВЧ излучением на упомянутый теплообменный элемент.

2. Способ по п. 1, при котором в качестве материала тела теплообменного элемента используют пористую керамику на основе карбида кремния.

3. Способ по п. 1, при котором тело теплообменного элемента выполнено в виде цельного куска материала.

4. Способ по п. 1, при котором тело теплообменного элемента выполнено в виде набора пластин, расположенных последовательно в направлении пропускания через теплообменный элемент газовой смеси.

5. Способ по п. 4, при котором пластины теплообменного элемента имеют разную пористость.

6. Способ по п. 1, при котором в центральной части тела теплообменного элемента в направлении прохождения через него газовой смеси расположена вставка из отражающего СВЧ излучение материала или из прозрачного для СВЧ излучения материала.

7. Способ по п. 1, при котором в центральной части тела теплообменного элемента в направлении прохождения через него газовой смеси выполнена продольная выемка.

8. Способ по п. 1, при котором пористый материал тела теплообменного элемента включает катализатор, например Ni52,9 ZrO29,5.

9. Способ по п. 1, при котором предварительно газовую смесь нагревают.

10. Способ по п. 1, при котором предварительно до приготовления газовой смеси входящие в ее состав метан и водяной пар нагревают раздельно.

11. Способ по п. 10, при котором нагрев по меньшей мере метана или водяного пара осуществляют путем пропускания его через теплообменный элемент, выполненный в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый метан или водяной пар и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, с одновременным воздействием СВЧ излучением на упомянутый теплообменный элемент.

12. Реактор для получения синтез-газа, выполненный в виде трубопровода, имеющего по меньшей мере одно входное отверстие для подвода газовой смеси метана с водяным паром или по меньшей мере два отверстия для раздельного подвода метана и водяного пара, а также по меньшей мере одно выходное отверстие для отвода синтез-газа, при этом внутри трубопровода между входными отверстиями для подвода газовой смеси метана с водяным паром или метана и водяного пара и выходным отверстием для отвода синтез-газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный из высокопористого материала с открытой проницаемой пористостью, способный пропускать газовую смесь метана с водяным паром и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла.