Изобретение относится к реактору, используемому для эндотермических высокотемпературных реакций, например, для проведения паровой конверсии потока углеводородсодержащего исходного газа (например, содержащего метан), для крекинга или термического разложения этана, для пиролиза природного газа (например, содержащего метан).
В печах или реакторах, применяемых для крекинга этана или для паровой конверсии метана, сжигаются ископаемые виды топлива, чтобы получить тепловую энергию, например, для нагрева соответствующего потока исходного сырья или технологических газов путем косвенного теплообмена. При этом в результате сжигания ископаемых видов топлива неизбежно возникают выбросы CO2. При этом, как правило, для повышения энергоэффективности предварительно нагревают топочный воздух, предварительно нагревают исходное сырье и/или осуществляют передачу тепла от горячего технологического газа к котловой питательной воде, используемой для производства технологического пара.
В качестве альтернативы распространенным техническим решениям, например, в документе US2,982,622, описывается способ производства водорода и высококачественного кокса, в котором инертные твердые частицы насыпью пропускаются в направлении силы тяжести через продолговатую реакционную зону, а к по меньшей мере одной части массы твердых частиц в реакционной зоне прикладывается электрическое напряжение от 0,1 до 1000 вольт на дюйм, причем напряжение достаточное, чтобы повышать температуру твердых частиц до уровня 1800°F - 3000°F (980°C - 1650°C). В противотоке пропускается газовый поток из углеводородов, предпочтительно природный газ, который в ходе эндотермической пиролитической реакции образует водород и углерод, осаждающийся на твердых частицах перед ним
CH4 <-> C(s) + 2 H2.
Условие противотока твердых частиц и газа позволяет достичь накопления тепла, что обеспечивает высокую эффективность способа. Использование омического, прямого электрического нагрева, а также электроэнергии, которая производилась с помощью возобновляемых источников энергии, позволяет улучшить баланс CO2 данного способа производства водорода за счет отказа от традиционного нагрева.
Однако соответствующие исследования показали, что осажденный из газовой фазы углерод приводит к снижению подвижности инертных твердых частиц и после длительной эксплуатации — к блокированию сыпучего материала, что существенно ограничивает экономичность такого способа.
Учитывая сказанное выше, задачей настоящего изобретения является создание улучшенного реактора, в котором не используется традиционный нагрев эндотермической реакции и в то же время обеспечивается более эффективная работа реактора.
Эта задача решается с помощью реактора с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения и описываются ниже.
Реактор для проведения эндотермической реакции, в частности высокотемпературной реакции, при этом в реакторе из исходного газа получают товарный газ, причем реактор охватывает внутреннее пространство реактора, которое предпочтительно разделено на три зоны, а именно: первую зону накопления тепла, реакционную зону и вторую зону накопления тепла. Реактор выполнен с возможностью проведения подвижного слоя в направлении силы тяжести, причем подвижный слой состоит из множества твердых частиц, которые подаются с верхнего конца реактора и выводятся с нижнего конца реактора, причем конструкция реактора также позволяет пропускать исходный газ через реакционную зону, при этом для нагрева исходного газа реактор выполнен с возможностью нагрева твердых частиц в реакционной зоне (например, путем пропускания электрического тока в твердых частицах, т.е. генерирования в твердых частицах Джоулева тепла), так что исходный газ в реакционной зоне может нагреваться до температуры реакции за счет передачи тепла от твердых частиц к исходному газу, чтобы исходный продукт вступал в эндотермическую реакцию для производства товарного газа; кроме того, внутреннее пространство реактора содержит первую зону накопления тепла, в которой тепло производимого в реакционной зоне товарного газа может передаваться к подаваемым в реакционную зону твердым частицам реакторного слоя, причем внутреннее пространство также содержит вторую зону накопления тепла, в которой для предварительного нагрева исходного газа тепло может передаваться от поступающих из реакционной зоны твердых частиц реакторного слоя к исходному газу.
Согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что для нагрева твердых частиц подвижного слоя реактор содержит первый и второй электроды, причем, в частности, первый электрод расположен во внутреннем пространстве над вторым электродом, и при этом, в частности, оба электрода не препятствуют потоку твердых частиц, исходного газа и товарного газа. Это значит, что оба электрода расположены и выполнены так, что подвижность твердых частиц не ухудшается, и твердые частицы, исходный газ и товарный газ могут проходить через электроды во внутреннем пространстве реактора.
Согласно одному из вариантов осуществления реактора первый и/или второй электрод может содержать одну или несколько растяжек, которые натягиваются во внутреннем пространстве реактора.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что первый электрод содержит сетку или выполнен из сетки. Второй электрод также может содержать сетку или состоять из сетки.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что первый и/или второй электрод (или соответствующая растяжка, или сетка первого и/или второго электрода) содержит один из следующих материалов или выполнен из одного из следующих материалов: жаропрочная сталь, стальной сплав с содержанием никеля Ni (например, Centralloy G 4852 Micro R), никелевый сплав, карбид кремния, дисилицид молибдена, графит.
Принципиально предпочтение отдается материалам, которые отличаются жаропрочностью (химическая и механическая устойчивость к высоким температурам) и как можно более высокой электропроводностью. При использовании графита повысить химическую устойчивость в условиях пара и высоких температур можно, например, с помощью защитного покрытия.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения также предусмотрено, что электроды, линии электропитания электродов и подвижный слой электрически изолированы от оболочки высокого давления реактора. Это обеспечивается жаропрочной облицовкой, обладающей низкой электропроводностью, например, из материала Al2O3 или ZrO2.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что для нагрева твердых частиц реактор выполнен с возможностью подачи постоянного напряжения между двумя электродами.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что реактор имеет входное отверстие для твердых частиц, через которое можно подавать твердые частицы в первую зону накопления тепла, так что твердые частицы могут направляться в реакционную зону мимо первого электрода и затем мимо второго электрода во вторую зону накопления тепла.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что реактор имеет выходное отверстие для твердых частиц, через которое можно выводить твердые частицы из второй зоны накопления тепла, например, с помощью шлюзового питателя. Последний является основным элементом управления скоростью движения или массовым потоком подвижного слоя.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что реактор имеет входное отверстие для исходного газа, через которое можно подавать исходный газ во вторую зону накопления тепла и оттуда мимо второго электрода в реакционную зону.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что реактор имеет выходное отверстие для товарного газа, через которое можно выводить образующийся в реакционной зоне товарный газ из первой зоны накопления тепла.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что конструкция реактора позволяет пропускать твердые частицы в виде подвижного слоя в первую и/или во вторую зону накопления тепла под действием силы тяжести.
Согласно дополнительному варианту осуществления реактора предусмотрено, что конструкция реактора позволяет пропускать твердые частицы в виде подвижного слоя в реакционной зоне под действием силы тяжести.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реактора предусмотрено, что реакционная зона реактора ограничена окружающим участком стенки реактора, которая содержит обращенную к реакционной зоне внутреннюю сторону, выполненную в виде конуса, так что в вертикальном направлении реакционная зона сужается кверху. При этом согласно одному из вариантов осуществления внутренняя сторона может образовывать определенный угол с плоскостью горизонтального поперечного сечения реакционной зоны, причем угол преимущественно находится в диапазоне от 85° до 89,5°, предпочтительно от 87° до 89°.
Другой аспект настоящего изобретения относится к способу проведения эндотермической реакции для получения товарного газа из исходного газа с использованием реактора в соответствии с изобретением, причем
– множество твердых частиц подается в первую зону накопления тепла и оттуда в реакционную зону,
– твердые частицы нагреваются в реакционной зоне,
– твердые частицы пропускаются из реакционной зоны во вторую зону накопления тепла и выводятся из второй зоны накопления тепла,
– исходный газ подается во вторую зону накопления тепла и оттуда в реакционную зону, причем во второй зоне накопления тепла исходный газ нагревается поступающими в противотоке из реакционной зоны твердыми частицами, при этом твердые частицы охлаждаются, и причем исходный газ в реакционной зоне соприкасается с нагретыми твердыми частицами, при этом для нагрева исходного газа в реакционной зоне тепло от нагретых твердых частиц передается исходному газу, причем исходный газ в реакционной зоне вступает в реакцию в качестве исходного продукта, образуя товарный газ,
– образующийся товарный газ проводится из реакционной зоны в первую зону накопления тепла, причем в первой зоне накопления тепла твердые частицы предварительно нагреваются поступающим в противотоке из реакционной зоны товарным газом, и товарный газ при этом охлаждается, и причем
– товарный газ выводится из первой зоны накопления тепла.
Согласно одному из вариантов осуществления способа твердые частицы предпочтительно циркулируют в замкнутом цикле. В частности, это означает, что выводимые из второй зоны накопления тепла твердые частицы (после возможной промежуточной обработки твердых частиц) снова подаются в первую зону накопления тепла.
Согласно дополнительному варианту осуществления способа в качестве исходного газа используется смесь этана (C2H6) с водяным паром (H2O), которая в реакционной зоне, при предпочтительно при температуре примерно от 850°C до 1250°C и давлении 1–5 бар абс. (абсолютного давления), превращается в этилен (C2H4) и водород (H2) в качестве товарного газа, причем в качестве твердых частиц используются керамические шарики, например, из корунда (Al2O3).
Согласно дополнительному варианту осуществления способа эндотермической реакцией является паровой риформинг:
CH4 + H2O -> CO + 3H2,
причем подаваемая в качестве исходного газа смесь метана (CH4) с водяным паром (H2O) превращается в реакционной зоне (предпочтительно при температуре примерно от 950°C до 1250°C и давлении от 10 бар абс. до 100 бар абс. (предпочтительно при давлении от 15 бар абс. до 50 бар абс.)) в окись углерода и водород в качестве товарного газа, причем в качестве твердых частиц предпочтительно используются керамические шарики, например, из корунда (Al2O3), или альтернативно — стойкий к истиранию катализатор на основе никеля Ni.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реакцией также может быть обратная реакция конверсии водяного газа:
CO2 + H2 -> CO + H2O,
в которой используемые в качестве исходного сырья CO2 и H2 превращаются в CO и H2O, причем в качестве твердых частиц опять же используются керамические шарики, например, из корунда (Al2O3), или альтернативно — стойкий к истиранию катализатор на основе никеля Ni.
В принципе, реакцией также может быть расслоение пара, в котором в качестве исходного сырья используется нефть.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реакцией также может быть дегидрирование пропана с получением пропилена (C3H8 -> C3H6 + H2), причем в качестве исходного сырья используется пропан, а твердые частицы реакторного слоя образуют подходящий для реакции катализатор. По сравнению с реактором с неподвижным исходным слоем катализатора, подвижный катализатор требует повышенной стойкости к истиранию, однако его можно предпочтительно подвергать внешней регенерации, если реакция сопровождается коксованием.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реакцией также может быть дегидрирование бутана с получением бутилена (C4H10 -> C4H8 + H2), причем в качестве исходного сырья используется бутан, а твердые частицы реакторного слоя образуют подходящий для реакции катализатор.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реакцией также может быть дегидрирование бутилена с получением бутадиена (C4H8 -> C4H6 + H2), причем в качестве исходного сырья используется бутилен, а твердые частицы реакторного слоя образуют подходящий для реакции катализатор.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления реакцией также может быть дегидрирование этилбензола с получением стирола (C8H10 -> C8H8 + H2), причем в качестве исходного сырья используется этилбензол, а твердые частицы реакторного слоя образуют подходящий для реакции катализатор.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения поясняются при описании примеров осуществления и графических материалов.
Описание графических материалов:
фиг. 1 схематическое представление одного из вариантов осуществления реактора в соответствии с изобретением и способа в соответствии с изобретением;
фиг. 2 схематическое представление одного другого варианта осуществления способа в соответствии с изобретением; и
фиг. 3 схематическое представление одного из вариантов осуществления реакционной зоны реактора в соответствии с изобретением и способа в соответствии с изобретением.
Настоящее изобретение относится к реактору 1, используемому для проведения эндотермической реакции и показанному на фиг. 1–3 в различных вариантах осуществления или применения.
Реактор 1 предназначен для проведения эндотермической реакции, в ходе которой из исходного газа E получают товарный газ P. На фиг. 1 показан один из соответствующих вариантов, в котором используемый в качестве исходного газа E этан превращается в этилен (C2H4) и водород (H2) в качестве товарного газа P. Также возможно альтернативное использование реактора для парового риформинга, например согласно фиг. 2, причем подаваемая в качестве исходного газа смесь метана (CH4) с водяным паром (H2O) превращается в окись углерода и водород в качестве товарного газа P, или синтез-газ. Также возможны и другие реакции.
Согласно фиг. 1–3 каждый реактор 1 охватывает внутреннее пространство 10 реактора, причем реактор 1 выполнен с возможностью пропуска в реакционной зоне 12 внутреннего пространства 10 реактора реакторного слоя 120, содержащего множество твердых частиц F, и при этом конструкция реактора 1 позволяет подавать исходный газ E в реакционную зону 12, причем для нагрева исходного газа E реактор 1 выполнен с возможностью нагрева твердых частиц F в реакционной зоне 12, так что исходный газ E в реакционной зоне 12 может нагреваться до температуры реакции за счет передачи тепла от твердых частиц F к исходному газу E, чтобы исходный продукт вступал в соответствующую эндотермическую реакцию для производства товарного газа P, и причем внутреннее пространство 10 реактора также содержит первую зону 11 накопления тепла, в которой тепло производимого в реакционной зоне 12 товарного газа P может передаваться к подаваемым в реакционную зону 12 твердым частицам F реакторного слоя 120, и при этом внутреннее пространство 10 реактора также содержит вторую зону 13 накопления тепла, в которой для предварительного нагрева исходного газа E тепло может передаваться от поступающих из реакционной зоны 12 твердых частиц F реакторного слоя 120 к исходному газу E.
В представленных на фиг. 1 и 2 вариантах осуществления реактора 1 реакторный слой 120 в реакционной зоне 12, а также реакторные слои 110, 130 в зонах накопления тепла — это движущиеся под действием силы тяжести твердые частицы F, причем исходный газ E образует встречный газовый поток, что позволяет обеспечивать предпочтительно почти полное накопление тепла.
При этом, согласно одному из вариантов осуществления нагрев и охлаждение газов происходит в пределах шкалы времени от 0,1 с до 1 с, что является преимуществом для ведения реакции, например, в случаях, когда требуется быстрое охлаждение до более низкой температуры товарного газа.
Как показано на фиг. 1 и 2, для нагрева исходного газа E используется прямой электрический (или индуктивный) подогрев твердых частиц F. Для этого можно использовать соответствующие пропускающие электроды 20, 21, в частности, выполненные в виде сеток 20, 21, причем электрическое напряжение 22 прикладывается к электродам 20, 21 и тем самым для получения тепла/теплоотдачи используется сопротивление твердых частиц F (в основном твердых тел, за счет переходных сопротивлений контакта твердых тел — вместо сопротивлений самого материала).
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления для достижения оптимального накопления тепла теплоемкости потоков газа E, P и потока твердых частиц F согласовываются друг с другом. Это приводит к созданию т.н. зон 11, 13 накопления тепла во внутреннем пространстве 10 реактора или в подвижном слое 110, 130, где исходный газ E предварительно нагревается горячими твердыми частицами F, поступающими из реакционной зоны 12 (нижняя вторая зона 13 накопления тепла), а горячий товарный газ P нагревает холодные твердые частицы F, которые подаются с верхней стороны реактора 1.
При этом согласно фиг. 1 и 2 предпочтительно предусмотрено, что при расположении реактора 1 согласно назначению в вертикальном направлении реакционная зона 12 размещена между двумя электродами 20, 21, причем первая зона 11 накопления тепла расположена над первым электродом 20, и вторая зона 21 накопления тепла при этом расположена под вторым электродом.
Кроме того, для подачи твердых частиц F, образующих каждый из реакторных слоев 110, 120, 130, предусмотрено, что каждый реактор 1 имеет входное отверстие 30 для твердых частиц, через которое можно подавать твердые частицы F в первую зону 11 накопления тепла, так что твердые частицы F могут направляться в реакционную зону 12 мимо первого электрода 20 и затем мимо второго электрода 21 во вторую зону 13 накопления тепла.
Кроме того, для отвода твердых частиц F (и, в частности, для рециркуляции твердых частиц F ко входному отверстию 30 для твердых частиц) реактор 1 имеет выходное отверстие 31 для твердых частиц, через которое можно выводить твердые частицы F из второй зоны 13 накопления тепла.
Кроме того, в частности, каждый реактор 1 для подачи исходного газа E во внутреннее пространство 10 реактора имеет входное отверстие 32 для исходного газа, через которое можно подавать исходный газ E во вторую зону 13 накопления тепла и оттуда мимо второго электрода 21 в реакционную зону 12.
И наконец, для отвода технологического газа P каждый реактор 1 имеет выходное отверстие 33 для товарного газа, через которое можно выводить образующийся в реакционной зоне 12 товарный газ P из первой зоны 11 накопления тепла.
Согласно примеру изобретения, представленному на фиг. 1, при производстве этилена удается рекуперировать по меньшей мере 90% затраченного тепла, причем для расчета количества твердых частиц F отправной точкой служит углерод. Однако вместо углерода предпочтительно используются керамические материалы. В частности, в настоящем изобретении в качестве компонента реакторного слоя можно использовать твердые частицы F, например, из материала Al2O3.
Для обеспечения вышеназванной рекуперации тепла можно подавать в реактор 1 исходный газ (этан) E с температурой, например, 150°C и под давлением, например, 2 бар в массовом потоке, например, 1000 кг/ч. При этом можно разбавлять исходный газ E паром, который имеет температуру, например, 155°C и давление, например, 2 бар и подается в массовом потоке, например, 300 кг/ч. Превращать в реакционной зоне этан в этилен можно при температуре, например, 850°C, причем товарный этилен можно выводить из реактора 1, например, при температуре 150°C, давлении, например, 2 бар и в массовом потоке, например, 606 кг/ч. В свою очередь, твердые частицы F можно подавать в реактор 1 при температуре, например, 174°C, давлении, например, 2 бар и в массовом потоке 2,9 т/ч, а выводить из реактора 1 при температуре 280°C.
При заданной степени конверсии 65% исходного сырья — этана — в этилен (при разбавлении исходного сырья водяным паром в количестве 30%) мощность нагрева составляет 1550 кВт·ч/т товарного этилена. При КПД конверсии, равном 90%, потребление электроэнергии составляет 1722 кВт·ч/т товарного этилена.
Аналогично разложению этана, также можно использовать реактор 1 в соответствии с изобретением или способ в соответствии с изобретением согласно фиг. 2 для парового риформинга метана. Вместо инертных частиц также можно использовать в подвижном слое 110, 120, 130 катализатор в виде среды твердых тел или твердых частиц F. По сравнению с реактором с неподвижным исходным слоем катализатора, подвижный катализатор требует повышенной стойкости к истиранию, однако его можно предпочтительно подвергать внешней регенерации. Решение о необходимости использования инертных частиц или частиц, воздействующих на ход реакции, можно принимать, в частности, исходя из температуры реакции. В примере с паровым риформингом, например, в нижнем диапазоне температур (около 950°C) можно использовать материал катализатора, а в верхнем диапазоне температур (около 1250°C) реакции протекают достаточно быстро и можно использовать инертный материал.
Согласно одному из вариантов осуществления реактор выполнен с возможностью пропуска через реакционную зону 12 или зоны 11, 13 накопления тепла твердых частиц с заданной скоростью, причем эта скорость твердых частиц F (например, в вариантах осуществления согласно фиг. 1 и 2) предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 м/ч до 2 м/ч, т.е. является медленной и щадящей для материала скоростью, при которой риск повреждения реактора от трения соответственно меньше.
Прямой электрический нагрев подвижного углеродного слоя 120 при температуре от ~800°C до -1250°C посредством электродов 20, 21 возможен при электрическом сопротивлении в пределах от ~1,0 Ом до 10 Ом. Для этого можно использовать, например, твердые частицы F в виде частиц углерода с удельным сопротивлением слоя в пределах ~0,005–0,04 [Ом·м] при температуре в диапазоне выше 800°C.
Твердые частицы F подвижного слоя 110, 120, 130 должны обладать достаточной химической устойчивостью при условиях проведения реакции, поэтому в случае, если исходный газовый продукт содержит пар или увеличенное количество CO2, керамические материалы оказываются более предпочтительными, чем углерод. Соответствующую среду твердых тел F можно выбирать в зависимости от требований технологического процесса. В принципе предпочтительными являются низкоомные материалы, например, керамические материалы, причем электропроводность предпочтительно должна быть выше, чем электропроводность огнестойкого материала облицовки реактора 1, так что первым нагревается реакторный слой 120, а не окружающий огнестойкий материал реактора. При использовании материалов с относительно более высокой электропроводностью общее сопротивление прежде всего определяется переходным сопротивлением контакта между отдельными твердыми частицами F. Поэтому морфологию поверхности можно подбирать так, чтобы она обеспечивала повышенное электрическое сопротивление. Согласно одному из вариантов осуществления твердые частицы, например, являются несферическими.
Длина реакционной зоны 12 в вертикальном направлении или в направлении течения твердых частиц F и потока E исходного газа определяет продолжительность пребывания газа в нагреваемой зоне 12. Чем больше эта длина, тем более благоприятные условия для электрического подогрева, поскольку общее электрическое сопротивление получается более высоким (последовательное подключение переходных сопротивлений контакта частиц F). Возможна продолжительность пребывания в реакционной зоне 12 менее 1 с, что является предпочтительным для производства этилена способом дегидрирования этана.
Кроме того, размер твердых частиц F можно выбирать в зависимости от требований реактора. Так, например, для дегидрирования этана предпочтительным является быстрый нагрев, при котором максимальный размер частиц для эффективного прямого теплообмена между газовой фазой и твердой фазой не превышает 5 мм. Таким образом, малая продолжительность нагрева в пределах от 0,1 с до 1 с вполне возможна.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления одномодальное распределение размеров твердых частиц F также оказывается предпочтительным, т.к. оно приводит к однородному нагреву и приближается к поршневому течению - без расслоения, связанного с частичным сжижением.
Выбор материала электродов 20, 21, в частности, основывается на следующих критериях, согласно которым предпочтительным является материал, устойчивый к условиям проведения реакции (температура, параметры газа, твердые материалы текучего слоя), обладающий высокой электропроводностью по сравнению с материалом слоя, чтобы гарантировать нагрев слоя, а не электрода, и, кроме того, материал должен допускать реализацию в форме, необходимой для всего электрода. В простейшем случае каждый электрод 20 выполнен, например, в виде отдельной растяжки или нескольких растяжек, однако также может иметь и более сложную конструкцию сетки. Для вышеназванных технологических процессов в качестве материала для электродов можно использовать нержавеющую сталь или сплавы на основе никеля Ni (из-за высоких температур). Например, материал Centralloy® G 4852 Micro R устойчив к условиям риформинга, обладает приемлемой прочностью и может быть использован в качестве материала для электродов. Если в исходном или товарном газе E, P не содержится пар (нет разбавления паром) или CO2, то в принципе в качестве материала для электродов можно использовать и графит. В качестве альтернативы можно наносить на графит химически устойчивое защитное покрытие, но оно должно быть электропроводным.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления, представленному на фиг. 3, может быть предусмотрено, что реакционная зона 12 реактора 1 ограничена окружающим участком 12a стенки реактора 1, имеющим обращенную к реакционной зоне 12 внутреннюю сторону 12b, выполненную в виде конуса, так что в вертикальном направлении z реакционная зона 12 сужается кверху. При этом диаметр D1 реакционной зоны 12 уменьшается до диаметра D2 реакционной зоны 12.
Внутренняя сторона 12b при этом образует, в частности, боковую поверхность усеченного конуса. Иначе говоря, в этой области реакционная зона 12 образует форму усеченного конуса.
Такая конически расширяющаяся геометрическая форма реакционной зоны 12 предпочтительно приводит к горизонтальному движению твердых частиц F подвижного слоя 120 в реакционной зоне 12. В случае появления отложений углерода из исходного газа на твердых частицах F, например, в пиролитической реакции при пиролизе чистого метана (без пара), или в случае коксования при паровом риформинге с низким соотношением пара к углероду (также обозначается S/C), например, S/C < 1,8, в частности S/C < 1, или в случае реакции коксования при крекинге этана возможно образование мостиков, которые разрушаются при горизонтальном движении твердых частиц F, предупреждая блокирование.
Внутренняя сторона 12b предпочтительно образует некоторый угол W с горизонтальной плоскостью или с горизонтальным поперечным сечением реакционной зоны 12; величина этого угла может находиться относительно близко к 90°.
Предпочтительно, чтобы величина угла W находилась в диапазоне от 85° до 89,5°, предпочтительно в диапазоне от 87° до 89°.
В принципе реактор в соответствии с изобретением можно использовать для любой другой эндотермической реакции, причем предпочтительно, чтобы в реакционной зоне 12 не скапливалось слишком много твердых частиц. При этом, например, в процессе пиролиза метана (CH4 -> C + 2H2), проявляется недостаток — блокирование подвижного слоя 120 и соответствующее изменение сопротивления слоя.
Кроме того, для прямого нагрева частиц F электродами 20, 21 также можно вместо постоянного напряжения 22 прикладывать к системе нагрева электросопротивлением переменное напряжение.
Настоящее изобретение предпочтительно позволяет снизить прямые выбросы CO2 в ходе технологического процесса благодаря специфическому нагреву частиц F. Кроме того, благодаря накоплению тепла между конечным и исходным продуктом в самом реакторе внешнее оборудование для рекуперации тепла не требуется или требуется в меньшем объеме.
Изобретение обеспечивает сравнительно малые продолжительности нагрева и охлаждения, что позволяет лучше контролировать ход реакции. Это более предпочтительно, поскольку быстрое охлаждение выпускаемого из реакционной зоны газа при паровом крекинге необходимо для повышения выхода конечного продукта.
Преимуществом является возможность снижения парообразования. Кроме того, при разложении этана отпадает необходимость в циклах удаления кокса, т.к. осаждающийся на частицах кокс можно удалять в ходе технологического процесса. Т.е. удалять кокс можно предпочтительно за пределами реактора, например, путем выжигания в предварительно нагретом воздухе.
Список обозначений
Изобретение относится к реактору, используемому для эндотермических высокотемпературных реакций, например, для проведения паровой конверсии потока углеводородсодержащего исходного газа (например, содержащего метан), для крекинга или термического разложения этана, для пиролиза природного газа (например, содержащего метан). Реактор (1) для проведения эндотермической реакции, в частности высокотемпературной реакции, в котором из исходного газа (E) получают товарный газ (P), охватывает внутреннее пространство (10) реактора, при этом реактор (1) выполнен с возможностью пропуска в реакционной зоне (12) внутреннего пространства (10) реактора реакторного слоя (120), содержащего множество твердых частиц (F), причем конструкция реактора (1) также позволяет подавать исходный газ (E) в реакционную зону (12), при этом для нагрева исходного газа (E) реактор (1) выполнен с возможностью нагрева твердых частиц (F) в реакционной зоне (12), так что исходный газ (E) в реакционной зоне (12) может нагреваться до температуры реакции за счет передачи тепла от твердых частиц (F) к исходному газу (E), чтобы исходный продукт вступал в эндотермическую реакцию для производства товарного газа (P), и при этом внутреннее пространство (10) реактора также содержит первую зону (11) накопления тепла, в которой тепло производимого в реакционной зоне (12) товарного газа (P) может передаваться к подаваемым в реакционную зону (12) твердым частицам (F) реакторного слоя (120), и при этом внутреннее пространство (10) реактора также содержит вторую зону (13) накопления тепла, в которой для предварительного нагрева исходного газа (E) тепло может передаваться от поступающих из реакционной зоны (12) твердых частиц (F) реакторного слоя (120) к исходному газу (E). Изобретение также относится к способу, в котором используется реактор (1) в соответствии с изобретением. Технический результат изобретения - создание улучшенного реактора, в котором не используется традиционный нагрев эндотермической реакции и в то же время обеспечивается более эффективная работа реактора. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
1. Реактор (1) для проведения эндотермической реакции, в частности высокотемпературной реакции, при этом в реакторе из исходного газа (E) получают товарный газ (P), причем реактор (1) охватывает внутреннее пространство (10) реактора, при этом реактор (1) выполнен с возможностью пропуска под действием силы тяжести в реакционной зоне (12) внутреннего пространства (10) реактора подвижного слоя (120), содержащего множество твердых частиц (F), причем конструкция реактора (1) также позволяет подавать исходный газ (E) в реакционную зону (12), при этом для нагрева исходного газа (E) реактор (1) выполнен с возможностью нагрева твердых частиц (F) в реакционной зоне (12) путем создания электрического тока в твердых частицах, так что исходный газ (E) в реакционной зоне (12) может нагреваться до температуры реакции за счет передачи тепла от твердых частиц (F) к исходному газу (E), чтобы исходный продукт вступал в эндотермическую реакцию для производства товарного газа (P), и при этом внутреннее пространство (10) реактора также содержит первую зону (11) накопления тепла, в которой тепло производимого в реакционной зоне (12) товарного газа (P) может передаваться к подаваемым в реакционную зону (12) твердым частицам (F) реакторного слоя (120), и при этом внутреннее пространство (10) реактора также содержит вторую зону (13) накопления тепла, в которой для предварительного нагрева исходного газа (E) тепло может передаваться от поступающих из реакционной зоны (12) твердых частиц (F) реакторного слоя (120) к исходному газу (E).
2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что реактор (1) для нагрева твердых частиц (F) реакторного слоя (120) содержит первый и второй электроды (20, 21), причем первый электрод (20) расположен над вторым электродом (21) во внутреннем пространстве (10) реактора, и при этом, в частности, оба электрода (20, 21) не препятствуют потоку твердых частиц (F), исходного газа (E) и товарного газа (P).
3. Реактор по п. 2, отличающийся тем, что реактор (1) выполнен с возможностью нагрева твердых частиц (F) путем подачи постоянного напряжения (22) или переменного напряжения (22) между двумя электродами (20, 21).
4. Реактор по п. 2 или 3, отличающийся тем, что реакционная зона (12) размещена между двумя электродами (20, 21), причем первая зона (11) накопления тепла расположена над первым электродом (20), и при этом вторая зона (13) накопления тепла расположена под вторым электродом.
5. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор (1) имеет входное отверстие (30) для твердых частиц, через которое можно подавать твердые частицы (F) в первую зону (11) накопления тепла, так что твердые частицы (F) могут направляться в реакционную зону (12) мимо первого электрода (20) и затем мимо второго электрода (21) во вторую зону (13) накопления тепла.
6. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор (1) имеет выходное отверстие (31) для твердых частиц, через которое можно выводить твердые частицы (F) из второй зоны (13) накопления тепла.
7. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор (1) имеет входное отверстие (32) для исходного газа, через которое можно подавать исходный газ (E) во вторую зону (13) накопления тепла и оттуда мимо второго электрода (21) в реакционную зону (12).
8. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор (1) имеет выходное отверстие (33) для товарного газа, через которое можно выводить образующийся в реакционной зоне (12) товарный газ (P) из первой зоны (11) накопления тепла.
9. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор (1) выполнен с возможностью пропуска твердых частиц (F) в виде подвижного слоя (110, 130) в первую и/или во вторую зону (11, 13) накопления тепла под действием силы тяжести.
10. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реакционная зона (12) реактора (1) ограничена окружающим участком (12a) стенки реактора (1), имеющим обращенную к реакционной зоне (12) внутреннюю сторону (12b), выполненную в виде конуса, так что в вертикальном направлении реакционная зона (12) сужается кверху.
11. Реактор по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя сторона образует определенный угол (W) с плоскостью горизонтального поперечного сечения реакционной зоны (12), причем угол (W) преимущественно находится в диапазоне от 85° до 89,5°, предпочтительно от 87° до 89°.
12. Способ проведения эндотермической реакции для получения товарного газа (P) из исходного газа (E) с использованием реактора по любому из предшествующих пунктов, причем
– множество твердых частиц (F) подается в первую зону (11) накопления тепла и оттуда в реакционную зону (12),
– твердые частицы (F) нагреваются в реакционной зоне (12),
– твердые частицы (F) пропускаются из реакционной зоны (12) во вторую зону (13) накопления тепла и выводятся из второй зоны (13) накопления тепла,
– исходный газ (E) подается во вторую зону (13) накопления тепла и оттуда в реакционную зону (12), причем во второй зоне (13) накопления тепла исходный газ (E) нагревается поступающими в противотоке из реакционной зоны (12) твердыми частицами (F), при этом твердые частицы (F) охлаждаются, и при этом исходный газ (E) в реакционной зоне (12) соприкасается с нагретыми твердыми частицами (F), причем для нагрева исходного газа (E) в реакционной зоне (12) тепло от нагретых твердых частиц (F) передается исходному газу (E), при этом исходный газ (E) в реакционной зоне (12) вступает в реакцию в качестве исходного продукта, образуя товарный газ (P),
– образующийся товарный газ (P) проводится из реакционной зоны (12) в первую зону (11) накопления тепла, причем в первой зоне (11) накопления тепла твердые частицы (F) предварительно нагреваются поступающим в противотоке из реакционной зоны (12) товарным газом (P), и при этом товарный газ (P) охлаждается, и при этом
– товарный газ (P) выводится из первой зоны (11) накопления тепла.
| РЕАКТОР ФЛЮИДИЗИРОВАННОГО СЛОЯ И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ В НЕМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ | 1996 |
|
RU2156651C2 |
| Реактор для термического разложения топлив с внутренним нагревом твердым теплоносителем | 1958 |
|
SU116579A1 |
| АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ С ПОРОШКОВЫЛ1И МАТЕРИАЛАМИ | 0 |
|
SU259829A1 |
| US 2982622 A, 02.05.1961 | |||
| DE 102009004750 A1, 02.09.2010. | |||
